تعریف دما

 دمای نشانه ای از سرعت متوسط مولکول های تشکیل دهنده یک جسم می باشد. درواقع می توان گفت که دما کمیتی است که بدلیل اختلاف آن میان دو جسم متصل به هم ویا دو نقطه از یک جسم ، باعث انتقال خود به خودی گرما از جسم با دمای بیشتر، به جسم با دمای کمتر می شود. به عبارت ساده تر میتوان اینگونه تعریف کرد که دما، معیاری برای گرمی یا سردی  اجسام است.

وقتی به جسمی گرما می دهیم جنبش مولکولی و انرژی جنبشی داخلی آن افزایش می یابد که به صورت افزایش دما نمایان می شود. برعکس گرفتن گرما از جسم باعث می شود سرعت مولکول ها و دمای جسم کاهش یابد. بر اساس نظریه جنبشی مولکولی اگر کاهش انرژی یک جسم تا به صفر ادامه داشته باشد حرکت مولکولی کاملا متوقف می شود و دمای آن به صفر مطلق یعنی ۲۷۳٫۱۵- سلسیوس می رسد.

adz 400-1200-temprature-2-min

یکاهای گوناگونی برای دما تعریف شده‌اند. در دستگاه بین‌المللی از یکای کلوین استفاده می‌شود؛ ولی یکاهای دیگری مانند سلسیوس و فارنهایت رانکین نیز برای دما به کار می‌روند.

اندازه‌گیری دما با استفاده از دماسنج انجام می‌شود. انواع مختلف دماسنج وجود دارند که از روش‌های گوناگون برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌کنند. برای نمونه، اندازه‌گیری دما در دماسنج جیوه‌ای با بهره‌گیری از ویژگی انبساط گرمایی جیوه انجام می‌شود.

تغییر دمای یک جسم یا یک محیط مادی با فرایند تبدیل انرژی انجام می‌شود. برای نمونه، اتلاف انرژی مکانیکی در اثر اصطکاک منجر به افزایش دما می‌شود. از سوی دیگر، سرد کردن گازها با انبساط گاز (که انرژی گرمایی به کار تبدیل می‌شود) انجام می‌شود.

علم ترمودینامیک، به مطالعه فرایندهای مربوط به تغییرات دما می‌پردازد.

adz 400-1200-temprature-5-min

یکاهای دما

یکاهای گوناگونی برای دما تعریف شده‌اند. تفاوت یکاهای مختلف، در دو عامل نقطه صفر یکا و مقیاس واحد (یا درجههر یکا است.

سلسیوس

یکای سلسیوس که به افتخار آندرش سلسیوس نام‌گذاری شده و با نماد C° نشان داده می‌شود، متداول‌ترین یکای مورد استفاده در حال حاضر است. این یکا پیشتر با نام سانتی‌گراد شناخته می‌شد که ترکیب دو واژه سانتی (به لاتین: centum) (به معنی صد) و گراد (به لاتین: gradius) (به معنی درجه) است. مبنای این یکا، نقطه انجماد و جوش آب هستند. نقطه انجماد آب برابر دمای صفر درجه و نقطه جوش آن برابر دمای صد درجه سانتی‌گراد تعریف شده‌است.۲

فارنهایت

فارنهایت با نماد F°، یکای دیگری برای دما است که در گذشته، در بسیاری از کشورها به کار گرفته می‌شد و اکنون در کشورهای اندکی از جمله ایالات متحده آمریکا همچنان به عنوان یکای اصلی اندازه‌گیری دما به کار می‌رود. نقطه صفری که گابریل دنیل فارنهایت انتخاب کرد عبارت بود از دمای تعادل گرمایی مخلوطی با نسبت برابر از یخ، آب و آمونیوم کلرید (که مقدار آن برابر ۱۷٫۷۸- سلسیوس است). هم‌چنین دو نقطه مرجع دیگر را دمای تعادل گرمایی مخلوط آب و یخ (دمای صفر درجه سلسیوس) به معادل ۳۲ فارنهایت و دمای بدن انسان معادل ۹۶ فارنهایت در نظر گرفت. فارنهایت دریافت که دمای جوش آب با این یکا برابر ۲۱۲ درجه است.

کِلوین

یکای اصلی دما در سیستم متریک، کلوین با نماد K است و یکای مطلق دما نامیده می‌شود. زیرا نقطه صفر آن، صفر مطلق است و دمایی پایین‌تر از آن وجود ندارد. به عبارت دیگر، در صفر کلوین هیچ گرمایی وجود ندارد و ذرات ماده از حرکت (که نشان دهنده میزان انرژی گرمایی ذره است) بازمی‌ایستند. نرخ تغییرات کلوین، معادل با درجه سلسیوس است و صفر آن برابر ۲۷۳٫۱۵- درجه سلسیوس است. برخلاف دو یکای سلسیوس و فارنهایت که با درجه(°)مشخص می‌شوند، یکای کلوین فقط به صرف گفتن کلوین مشخص می‌شود. برای مثال ۲۷۳ «کلوین» معادل با ۰ «درجه سلسیوس» است.

adz 400-1200-temprature-15-min
adz 400-1200-temprature-9-min
adz 400-1200-temprature-13-min
adz 400-1200-temprature-1-min

رویکرد ترمودینامیکی به دما

از نظر ترمودینامیکی، یکاهای اندازه‌گیری دما به دو دسته تقسیم می‌شوند:

مقیاس‌های تجربی

بسیاری از مقیاس‌های اندازه‌گیری دما، به صورت تجربی و بر اساس اندازه‌گیری ویژگی‌های فیزیکی مواد، تعریف شده‌اند. برای نمونه، ارتفاع ستون جیوه در یک محفظه شیشه‌ای وابسته به دما است و این مطلب، پایه کاربرد دماسنج جیوه‌ای است. چنین ویژگی‌هایی دارای محدودیت هستند. برای نمونه، دماسنج جیوه‌ای نمی‌تواند دماهای بالاتر از نقطه جوش و پایین‌تر از نقطه ذوب جیوه را نشان دهد. زیرا در چنین دماهایی گذار فاز جیوه رخ می‌دهد. هم‌چنین در بعضی از مواد، با افزایش دما به جای افزایش حجم، کاهش حجم انجام می‌شود.

مقیاس‌های نظری

مقیاس‌های نظری بر پایه پارامترهای نظری از جمله ترمودینامیک و مکانیک کوانتوم تعریف می‌شوند. در این مقیاس‌ها از ویژگی مواد و تجهیزات ایده‌آل استفاده می‌شود. برای نمونه، یکای استاندارد دما بر پایه فرایند چرخه ایده‌آل ماشین گرمایی کارنو است.

ماده ایده‌آلی که می‌تواند برای تعریف مقیاس‌های دما به کار رود، گاز کامل است. فشار یک توده گاز کامل با حجم و جرم ثابت، نسبت مستقیمی با دمای آن دارد. برخی از گازهای طبیعی در دمای معمول، ویژگی‌هایی نزدیک به گاز کامل دارند.

اندازه‌گیری طیف تابش الکترومغناطیسی از یک جسم سیاه سه‌بعدی ایده‌آل می‌تواند مقدار دقیق دما را به دست دهد، زیرا بسامد بیشینه طیف تابیده از یک جسم سیاه، نسبت مستقیم با دمای جسم سیاه دارد.

adz 400-1200-temprature-18-min
adz 400-1200-temprature-17-min
adz 400-1200-temprature-16-min
adz 400-1200-temprature-7-min

رابطه گرما و دما

گرما و دما در علم ترمودینامیک دو کمیت مرتبط به یکدیگر هستند؛ البته این گزاره به معنای آن نیست که هر دو دارای یک کمیت و یک معنا باشند. توجه داشته باشید که گرما و دما واحد‌های مختلفی دارند: واحد درجه حرارت یا دما به طور معمول «درجه سانتی‌گراد» (C) یا «کلوین» (K) است. در حالی که واحد گرما مانند انرژی، ژول است. دما متناسب با مقدار متوسط انرژی جنبشی اتم‌ها یا مولکول‌ها در یک سیستم تعریف می‌شود. مولکول‌های آب در یک فنجان قهوه داغ دارای انرژی جنبشی متوسط بالاتری نسبت به مولکول‌های آب در یک فنجان چای سرد هستند. این بدین معنی است که این مولکول‌ها با سرعت بیشتری در توده‌‌ی ماده حرکت می‌کنند.

به علاوه دما دارای خاصیت شدتی (Intensive) است. به این ترتیب که دما به مقدار ماده بستگی ندارد و در طول سیستم تغییری نمی‌کند (تا زمانی که دما در کل سیستم یکسان باشند). به همین دلیل است که شیمیدان‌ها می‌توانند از نقطه ذوب برای شناسایی یک ماده خالص استفاده کنند. دمایی که ماده در آن ذوب می‌شود یکی از خواص ماده است که به جرم نمونه بستگی ندارد.

در سطح اتمی، مولکول‌ها در هر جسم دائما حرکت و با یکدیگر برخورد می‌نمایند. در هر برخورد دو مولکول با یکدیگر، انرژی جنبشی منتقل می‌شود. هنگامی که دو سیستم در تماس با هم قرار می‌گیرند، گرما از طریق برخوردهای مولکولی از سیستم گرم‌تر به سیستم سردتر منتقل می‌گردد. انرژی حرارتی از سیستم گرم‌تر به سردتر جریان خواهد یافت تا زمانی که دو جسم هم‌دما شوند. هنگامی که دو سیستم در تماس با هم، دمای یکسانی دارند، اصطلاحاْ می‌گویند این دو سیستم در «تعادل گرمایی» (Thermal equilibrium) هستند.

قانون صفرم ترمودینامیک: تعریف تعادل گرمایی

«قانون صفرم ترمودینامیک» (Zeroth law of thermodynamics) تعادل گرمایی را در یک سیستم ایزوله یا بسته تعریف می‌کند. قانون صفرم ترمودینامیک می‌گوید زمانی که دو جسم در تعادل حرارتی در تماس با هم هستند، هیچ انتقال گرمای خالصی بین اجسام وجود ندارد؛ بنابراین، این دو سیستم هم‌دما هستند. تعریف دیگری از قانون صفر بدین گونه است که اگر دو جسم به صورت جداگانه در تعادل حرارتی با یک شیء سوم قرار داشته باشند، دو جسم در تعادل حرارتی با یکدیگر قرار دارند و هم‌دما هستند. برای نمونه فرض کنید جسم «الف» و جسم «ب» در تعادل گرمایی با همدیگرند. همچنین جسم «ب» و جسم «ج» با هم هم‌دما هستند. طبق این قانون، جسم‌های «الف» و «ج» نیز با هم در تعادل حرارتی‌اند. با توجه به قانون صفرم می‌توان دمای جسم را اندازه‌گیری کرد. هر زمان از یک دماسنج استفاده می‌کنیم، در واقع قانون صفرم ترمودینامیک به کمک ما می‌آید.

به عنوان مثال برای اندازه‌گیری دمای حمام آب و به منظور اطمینان از صحت اندازه‌گیری باید منتظر ماند تا دمای خوانده شده توسط «دماسنج» (Thermometer) به یک مقدار ثابت برسد (برای رسیدن دماسنج و آب به تعادل گرمایی). در تعادل گرمایی، دمای حباب دماسنج و حمام آب یکسان خواهد بود. همچنین هیچ انتقال حرارت خالصی از یک جسم به دیگری وجود ندارد (با فرض اینکه اتلاف گرما از جسم به محیط اطراف صفر باشد).

فهرست